的热分解动力学分析,根据热重量分析乳胶泡沫

文摘

乳胶发泡体的热分解过程,并调查了在非等温条件下。的商业床垫样本进行热重分析(TG)加热范围从5°C min⁻¹20°C min⁻¹。乳胶泡沫燃烧前后的形态由扫描电子显微镜(SEM)观察,并通过红外光谱主要化学成分研究(红外光谱)。动力机制和相关参数进行了计算。结果表明乳胶发泡体的分解三大退化阶段由三阶控制反应(F3)和Zhuravlev的扩散方程(D5)。的意思是值计算的每个阶段根据单个非等温法加热率等于41.91±0.06 kJ摩尔⁻¹,86.32±1.04 kJ摩尔⁻¹和19.53±0.11 kJ摩尔⁻¹,分别。相应地,每个阶段的preexponential因素等于300.39秒⁻¹,2355.65年代⁻¹,27.90年代⁻¹,分别。平均活化能和preexponential因素乳胶泡沫估计根据多个加热率和非等温方法92.82 kJ摩尔⁻¹和1.12×10⁻³年代⁻¹,分别。

1。介绍

乳胶泡沫是一个弹性、重量轻和灵活的形式的乳胶与巨大的经济重要性。它广泛用于汽车、家庭器皿,飞机等等。通常知道乳胶泡沫是一种细胞结构组成的液体橡胶化合物(1- - - - - -3]。结构特征表明,乳胶泡沫具有很高的潜在的火灾风险,和分解是一个重大的火灾行为表现出的泡沫材料。热重分析(TGA)是一种有用的技术来研究材料的分解过程和相关动力学(4- - - - - -6]。TG分析的结果对于燃烧机理的研究非常有用。

天然橡胶胶乳的热分解和调查的主要化学成分、丁苯嵌段共聚物,先前的研究并得到了相当大的研究的主题(7]。Hacaloglu et al。8)报道,styrene-butadiene-styrene共聚物的降解产量达到最大值213°C。其他研究人员调查了天然橡胶胶乳混合的热行为(9- - - - - -11]。结果表明,混合提高混合物的热稳定性。例如,活化能的壳聚糖(CS) /天然橡胶乳胶(海军)复合材料下跌30 kJ摩尔的范围⁻¹-60 kJ摩尔⁻¹。丁苯嵌段共聚物的各种结构也被研究[12]。他们的活化能下降100 kJ摩尔的范围⁻¹-300 kJ摩尔⁻¹,他们的热降解包括三个阶段:天然气、退化蜡,和残渣。吸热峰发生在大约450°C。

先前的研究已经详细的热降解材料用于形成乳胶泡沫。然而,在商业产品使用的材料通常是一些材料的混合物。分解过程和相关动力学将很大程度上取决与纯物质或混合物组成的只有两个组件。乳胶泡沫广泛应用于床上用品通常房间火灾的主要来源。不幸的是,很少有人了解的燃烧分解过程和动力学机制乳胶泡沫用于商业产品。报道关于乳胶泡沫的化学反应机理的研究尤为稀缺。因此,乳胶泡沫的热降解行为的进一步研究是必要的。

本研究的目标是提出一个实验热行为的描述,热解过程和动力学机制乳胶发泡体的升温速率范围的5°C /分钟20°C / m根据热重分析(TGA)。乳胶泡沫燃烧前后的形态被扫描电子显微镜(SEM)观察。的主要化学成分样品的特点是通过红外光谱(ir)。活化能(E)值和preexponential因素(一个热的反应进行了研究根据非等温方法(一个或多个加热率)。各种热降解阶段的反应机理函数也被调查。

2。实验的程序

这项工作中使用的样本包括商用乳胶泡沫用于床垫(Sleemon家具有限公司,中国)。第一材料切成块的尺寸5毫米×5毫米×5毫米;然后测量取自这些块。样品的主要化学成分是由红外光谱特征分析,Nicolet iS10。

样品的结构维度2毫米×2毫米×2毫米被SEM观察,特斯拉BS 340。热降解过程及其相关运动学进行了TG分析(SDT Q600, TA乐器),加热速度从室温到800°C。加热速率变化从5°C /分钟20°C分钟⁻¹在一个恒定的气流(100厘米³最小值⁻¹)。最初的样品重量是大约等于10毫克。结果的精度提高了确定平均每个实验的测试值两个复制。

动力学参数提取基于转换的程度如下(13]: 在哪里,,代表了最初的样本质量,样品质量,样品质量实验的结论。

3所示。结果与讨论

首先,乳胶泡沫燃烧前后的形态扫描电镜观察到在加速电压范围内的15 kv-35千伏。SEM图像的乳胶泡沫是描绘在图1。如图1,研究了乳胶泡沫是一个三维多孔聚合物的连通孔隙的大小> 200μm和演示的壁厚约20μ米,如图1(一)。一般来说,三维多孔有机聚合物很容易点燃,和随后的火焰传播非常迅速。因此,乳胶泡沫造成巨大火灾隐患。燃烧后,乳胶发泡体的形态也是三维多孔,且燃烧之前,如图1 (b)。表面非常光滑的框架也观察到,这似乎代表了液体冷却形成。这可能是由于合成聚合物的热分解,通常通过一个石油/蜡阶段[14]。

最可能的化学成分的乳胶泡沫是由红外光谱。乳胶发泡体的红外光谱图2。功能基单取代芳烃的701厘米⁻¹,1496厘米⁻¹,1605厘米⁻¹,3033厘米⁻¹在868厘米和脂肪族碳氢化合物⁻¹,1451厘米⁻¹,2915厘米⁻¹观察的样本。红外光谱之间的匹配程度和丁苯嵌段共聚物乳胶泡沫大于80%。因此,它可以被诱导的主要化学成分目前的试验中使用的乳胶泡沫丁苯嵌段共聚物(15- - - - - -17]。丁苯嵌段共聚物通常包含大约75%的苯乙烯和丁二烯25%,是一个相对容易流材料(18]。有关化学式如图3。一个简单的流材料流很容易当温度上升到一定值。橡胶将开始交联,易于流将减少当温度继续上升过去一个最优值。这与扫描电镜观察到的结果。

3.1。热解分析

典型的TG情节代表乳胶泡沫10°C的升温速率最小⁻¹如图4。第一个分解阶段应该对应于水蒸发,产生的初始温度高达约140°C。在这个阶段的质量损失约等于0.5 wt %。后续阶段发生从250°C到420°C应包括热解的乳胶泡沫产生各种挥发性和char(第二阶段)。发生在这个阶段的质量损失约等于40%。接下来,富有表现力的分解峰在440°C属于石油/蜡生产阶段。样品质量降低了大约20 wt %在这个过程(第三阶段),第二和第三阶段显示的热分解丁苯嵌段共聚物(8]。基于这些结果,估计丁苯嵌段共聚物含量大约是60 wt %。这是在良好的协议与傅立叶变换红外光谱观察到的结果。随后的分解峰发生在大约680°C有关气体形成阶段(第四阶段)。在第四阶段的结论,质量大约是25 wt. %。

各种加热率的thermodecomposition曲线如图所示5。每个组合阶段的温度范围和转换程度在不同的加热率表中列出1。结果表明,分解阶段转移到更高的温度。二期增加的温度范围,而第三阶段减少随着升温速率的增加从5°C min⁻¹20°C min⁻¹。TG和壳体的形状曲线在不同的升温速率条件下几乎是相同的。这表明材料的动力学机制不改变由于升温速率,TG曲线的形状是由动力学机理函数。

3.2。热降解动力学

乳胶泡沫的热降解动力学和反应动力学参数和根据nonisoconversional方法进行调查。

3.2.1之上。单一税率等温法

的关系由切赫Ptaček et al。19),如下: 在哪里活化能,kJ摩尔⁻¹;是通用气体常数,8.314 J·摩尔⁻¹·K⁻¹;是温度,K;是preexponential因素;升温速率,K最小⁻¹;和功能代表了动能函数。和温度独立参数。可能的机制被替换成(2为了计算。然后,与是绘制。得到的相关系数的线性拟合方法。最一致的动力学函数是基于相关系数决定的,这应该方法1。和估计的线性方程的斜率和截距。

最可能的热分解反应的动力学机制阶段II-IV热解的决心。动能的转换α为每一个阶段来确定最可能的机制是0.1 - -0.3,0.4 - -0.7,-0.95和0.85,分别。最可能的动力学机制的热降解反应是评估使用27数学函数报道在以前的工作20.- - - - - -22]。该函数可以分为四种类型:化学、成核、边界,和扩散反应,如表所示2。图6描绘了第二阶段的结果作为一个例子。

代表三阶的线性回归相关系数的化学反应(F3)和Zhuravlev的扩散方程(D5)阶段II, III和IV非常接近1,表明three-mechanism动能函数是最可能的反应机制。

活化能和preexponential因素可以从直线图形估计代表与。每个分解阶段的结果中描述表3。的意思是每个阶段的值是41.91±0.06 kJ摩尔⁻¹,86.32±1.04 kJ摩尔⁻¹和19.53±0.11 kJ摩尔⁻¹分别和各自的preexponential因素等于300.39秒⁻¹,2355.65年代⁻¹,27.90年代⁻¹。Munteanu et al。12)报道,丁二烯苯乙烯共聚物与不同的体系结构的激活能量下降100 kJ摩尔范围⁻¹-300 kJ摩尔⁻¹。饶和约翰9]表明,壳聚糖(CS)的活化能/天然橡胶乳胶(海军)混合30 kJ摩尔的范围⁻¹-60 kJ摩尔⁻¹。一些研究人员(10,11)认为的混合材料的热稳定性提高整体的混合物。与以上报道的实验结果有很好的一致性。

3.2.2。多个率非等温方法

Flynn-Wall (FWO)被用来评估表达式和乳胶发泡体的热分解的值23,24]:

为了获得之间的线性关系和在选定的热分解的分数是绘制如图7,然后评估相关的斜坡。

如前所述,应用程序的多个率非等温方法需要的绝对温度的确定一个固定的燃烧程度观察基于thermoanalytical曲线记录在不同的加热率。计算动力学参数集中在占主导地位的反应,转换的程度范围从0.1到0.3,0.4,0.7,和0.85至0.95。当与绘制在相同程度的转换,获得了一组直线材料(图7)。因此,某种程度上的活化能转换可以根据获得的结果行。的相关值和每个部分中描述表4。观察到,活化能变化与转换的程度很小,平均值为92.824 kJ摩尔⁻¹。

每个转换阶段的平均活化能是72.09 kJ摩尔⁻¹140.70 kJ摩尔⁻¹和89.62 kJ摩尔⁻¹,分别。实验值是根据单一税率高于计算非等温方法代表相同的转换阶段。然而,实验和计算结果表明相同的变化趋势,在0.4 - -0.7的转换阶段的平均活化能大于观察其他两个阶段。这与热解过程中描述图4。

4所示。结论

商业的降解动力学根据TG乳胶泡沫了。单个和多个率非等温方法被应用于确定活化能和preexponential因素在一级分解阶段。单一税率非等温方法结合27数学函数在先前的研究报告被用来定义最合适的反应机理。它可以得出结论,热解过程由4个不连续的区域。阶段的平均活化能II-IV是41.91±0.06 kJ摩尔⁻¹,86.32±1.04 kJ摩尔⁻¹和19.53±0.11 kJ摩尔⁻¹分别,各自preexponential因素是300.39秒⁻¹,2355.65年代⁻¹,27.90年代⁻¹。相应地,最可能的机制功能阶段II-IV三阶反应,Zhuravlev的扩散方程,Zhuravlev扩散方程,分别。每个相应阶段的平均活化能是72.09 kJ摩尔⁻¹140.70 kJ摩尔⁻¹和89.62 kJ摩尔⁻¹根据计算运动参数由多个率非等温方法。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是由中国国家自然科学基金的支持,没有。51306168,和浙江省自然科学基金批准号LY17E060004,浙江省重点实验室家具检测技术,没有。2016 j08。

引用

1. n .董事会对橡胶和盟军产品手册(项目简介),2013年Niir项目Consyltancy服务。
2. d .屋檐手册的聚合物泡沫英国,RAPRA有限,因2004年。
3. r . Roslim m . y Amir Hashim, p . t . Augurio“天然乳胶泡沫,”《工程科学,8卷,页15 - 2012。视图:谷歌学术搜索
4. p . Ptaček d . Kubatova j . Havlica j . Brandštetr f .Šoukal和t . Opravil”等温高岭石的热分解动力学分析:热重研究中,“Thermochimica学报,卷501,不。1 - 2,24-29,2010页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. s . h .江j . Wang, b . Wang和z王”的酚醛树脂热解动力学非等温热重量分析法,”碳,48卷,不。2、352 - 358年,2010页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. h . Geßwein和j . r .粘结剂”Thermokinetic ZrAl氧化的研究₃粉。”Thermochimica学报,卷444,不。1,6 - 12,2006页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. j .徐张A、t .周曹x, z .谢,“热氧化机理研究styrene-butadiene-styrene嵌段共聚物(SBS)”聚合物降解和稳定,卷92,不。9日,第1691 - 1682页,2007年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. j . Hacaloglu t . Ersen n·埃尔·m·m .票价和美国苏士酒,”丁苯块裂解质谱分析和随机的共聚物,”欧洲聚合物杂志》,33卷,不。2、199 - 203年,1997页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. 诉饶和j . Johns”热性能的壳聚糖/天然橡胶胶乳混合TG和DSC分析,“热分析和量热法杂志》上,卷92,不。3、801 - 806年,2008页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. a·p·马修s Packirisamy,托马斯,“天然橡胶/聚苯乙烯的热稳定性研究互穿聚合物网络:热重分析,“聚合物降解和稳定,卷72,不。3、423 - 439年,2001页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. j . t . Varkey美国奥古斯汀,托马斯,“热降解天然橡胶/丁苯胶乳混合热重方法,”聚合物塑料技术和工程,39卷,不。3、415 - 435年,2000页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
12. s . b . Munteanu m . Brebu和c·瓦西,”丁苯共聚物的热与thermo-oxidative行为与不同的架构,”聚合物降解和稳定,卷89,不。3、501 - 512年,2005页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
13. c哦和c·m·索伦森”的影响单体的测定分形重叠集群形态,”胶体与界面科学杂志》上,卷193,不。1,17-25,1997页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
14. j·m·基和j·f·冈萨雷斯,”合成聚合物和塑料废弃物的热解。动力学研究中,“燃料处理技术,卷89,不。7,678 - 686年,2008页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
15. j . Madejova红外光谱技术在粘土矿物的研究中,“振动光谱没有,卷。31日。1、1 - 10,2003页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. f . Boccuzzi a . Chiorino m . Manzoli et al .,“非盟/二氧化钛纳米尺度的样本:催化,TEM,和红外光谱研究煅烧温度对CO氧化的影响,“催化学报,卷202,不。2、256 - 267年,2001页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
17. r·p·辛格,s·m·德赛,s . s . Solanky和p . n . Thanki“styrene-butadiene-styrene橡胶、光降解和稳定的”应用聚合物科学杂志》上,卷75,不。9日,第1114 - 1103页,2000年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
18. t·惠兰和j·高夫“苯乙烯丁二烯嵌段共聚物,”热塑性塑料的注塑Materials-1激飞美国,页100 - 110年,波士顿,质量,美国,1990年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
19. p . Ptaček f .Šoukal t . Opravil j . Havlica和j . Brandštetr”高岭石的热分解动力学分析壳体技术,”粉技术,卷208,不。1、20 - 25,2011页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
20. r . Lopez-Fonseca兰达,Elizundia, m . a . Gutierrez-Ortiz和j·r·Gonzalez-Velasco”Thermokinetic建模含碳的燃烧颗粒物,”燃烧和火焰,卷144,不。1 - 2、398 - 406年,2006页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
21. p . Ptaček d . Kubatova j . Havlica j . Brandštetr f .Šoukal和t . Opravil”的非等温动力学分析高岭石的热分解,热重分析,“粉技术,卷204,不。2 - 3、222 - 227年,2010页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
22. y汉、t·李和k .齐藤”综合方法基于模型方法和自由IKP评估的固态反应动力学参数的方法,”计算化学杂志,33卷,不。31日,第2525 - 2516页,2012年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
23. Y.-K。李,D.-J。金,周宏儒。金,t·s·艾。黄、m . Rafailovich和j .精英”,活化能和可溶性酚醛树脂的固化行为,novolac-type酚醛树脂通过差示扫描量热法和热重分析,“应用聚合物科学杂志》上,卷89,不。10日,2589 - 2596年,2003页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
24. 杨和j . d .黄x Wang,“粒子大小和升温速率对分解bc干粉灭火粉,“微粒科技,33卷,不。5,488 - 493年,2015页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索

版权

版权©2016年宏伟风扇等。这是一个开放的分布式下文章知识共享归属许可,它允许无限制的使用、分配和复制在任何媒介,提供最初的工作是正确引用。